EP1872018B1

EP1872018B1 - Steuerventil für einen hydromotor

Info

Publication number: EP1872018B1
Application number: EP05804312A
Authority: EP
Inventors: Markus Eschweiler
Original assignee: Bucher Hydraulics AG
Current assignee: Bucher Hydraulics AG
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2025-12-01
Also published as: JP2008537069A; US20090078112A1; EP1872018A1; ATE403807T1; WO2006111031A1; DE502005004981D1; US7921879B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerventil für einen Hydromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hydromotoren werden beispielsweise bei Kranen zum Antrieb hydraulischer Winden verwendet. Mit einer solchen Winde lassen sich Lasten heben und senken.
Aus DE-A1-39 41 802 ist ein hydraulisches Wegeventil bekannt, das eine lastdruckunabhängige Steuerung eines Hydromotors ermöglicht. Aus DE-C2-41 36 991 ist ein Wegeventil bekannt, das für den gleichen Zweck angewendet werden kann.
Aus der Arbeitsweise von Hydromotoren, die meist als Axialkolbenmaschinen, seltener als Radialkolbenmaschinen gestaltet sind, ergibt sich konstruktionsbedingt, dass der Förderstrom nicht gleichmäßig ist, sondern zyklisch schwankt, also pulsiert, wie dies beispielsweise in "H. Ebertshäuser: Fluidtechnik von A bis Z", Vereinigte Fachverlage Krausskopf/Ingenieur-Digest, 1. Auflage 1989, auf den Seiten 31 und 353 bis 354 erwähnt ist. Daraus ergeben sich zwangsläufig Momentenschwankungen, die sich insbesondere bei niedrigen Drehzahlen unangenehm bemerkbar machen. Wird eine zunächst ruhende Last gehoben, so erfolgt die Bewegung aus dem Stillstand mehr oder weniger ruckartig. Der gleiche Effekt tritt auf, wenn die Last ihre Position beinahe erreicht hat, so dass dann die Endposition beinahe erreicht ist. Pulsationen der Bewegung sind auch hier sehr störend. Ein solches Steuerventil ist auch in US 2004/0226292 offenbart. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil zu schaffen, das die zuvor geschilderten Momentenschwankungen und Pulsationen verhindert, ohne dass es einer zusätzlichen Ventilbaugruppe bedarf, die bisher zur Reduzierung der Pulsation bzw. Momentenschwankung eingesetzt wurde.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema einer Ansteuerung für einen Hydromotor,
Fig. 2 eine Ventilbaugruppe als Zusatzaggregat für die Funkion "Heben" gemäß einer Lösung nach dem Stand der Technik,
Fig. 3. eine Ansicht eines Steuerschiebers innerhalb eines Ventilkörpers, und
Fig. 4 bis 7 Ausschnitte der Stellung des Steuerschiebers relativ zu einer Steuerkante.

In der Fig. 1 ist ein Hydromotor 1 gezeigt, der eine nicht näher gezeigte Seilwinde zum Heben und Senken einer Last 2 antreibt. Mit Pfeilen ist am Hydromotor 1 gezeigt, dass die eine Drehrichtung des Hydromotors 1 das Senken der Last 2 bewirkt, die entgegengesetzte Drehrichtung des Hydromotors 1 das Heben der Last. Der Hydromotor 1 ist ansteuerbar durch ein als Wegeventil ausgebildetes Steuerventil 3 mit den üblichen Lastanschlüssen A und B sowie mit einem Pumpenanschluss P und einem Tankanschluss T. Dies entspricht dem vorbekannten Stand der Technik. Dies gilt auch für ein in die Zuleitung zum Hydromotor 1 eingesetztes Lasthalteventil 4, das der Kontrolle der Last beim Senken dient.
Im "Heben"-Betrieb strömt das Hydrauliköl vom Pumpenanschluss P des Steuerventils 3 und die A-Leitung durch das sich von selbst öffnende Rückschlagventil des Lasthalteventils 4 zum Hydromotor 1 und treibt diesen an. Gleichzeitig fließt eine identische Menge von Hydrauliköl vom Hydromotor 1 über die B-Leitung durch das Steuerventil 3 zum Tankanschluss T. Die proportionale Flussmengensteuerung erfolgt durch die proportionale Steuerung des Steuerventils 3. Dies ist im hydraulischen Schaltbild des Steuerventils 3 gezeigt.
Im "Senken"-Betrieb ist die Flussrichtung umgekehrt. Dabei erfolgt die Bewegungssteuerung durch das proportional ansteuerbare Lasthalteventil 4.
Als Hydromotor 1 kommt bei solchen Anwendungsfällen bevorzugt eine Hubverdrängermaschine zum Einsatz, beispielsweise eine Axialkolbenmaschine, wie sie in "Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau", Springer-Verlag, 19. Auflage, auf der Seite H5, gezeigt ist. Diese weit verbreitete Maschinenbauart hat aber den Nachteil, dass der Förderstrom nicht gleichmäßig ist, weil dieser einen erheblichen Ungleichförmigkeitsgrad δ aufweist. Daraus kann sogar folgen, dass bei Beginn des Anhebens der Last 2, also bei sehr kleiner Drehzahl des Hydromotors 1, die Last 2 kurzzeitig absinkt. Das gilt auch beim Verringern der Drehzahl zum Anhalten der Last 2. Ein rationelles Arbeiten ist so kaum möglich und es ergeben sich Gefahrenmomente.
Um dieses gravierende Problem wenigstens teilweise zu beheben, hat man versucht, die ungleichförmige Drehbewegung bei Langsamlauf durch die Einbindung einer Ventilbaugruppe 10 zum Beispiel in die entsprechende Rücklaufleitung vom Hydromotor 1 zu verringern, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist. Hier ist im Zuge der B-Leitung die Ventilbaugruppe 10 angeordnet, die aus zwei parallel gegeneinander geschalteten Rückschlagventilen besteht, nämlich aus einem vorgespannten Rückschlagventil 11 und aus einen nicht vorgespannten Rückschlagventil 12. Die Anmelderin selbst hat im Jahre 2001 eine solche Ventilbaugruppe geschaffen. Damit ist eine teilweise Kompensation der Druckschwankungen im Hebebetrieb möglich. Das vom Hydromotor 1 zum Steuerventil 3 strömende Hydrauliköl muss die Ventilbaugruppe 10 passieren. Weil das nicht vorgespannte Rückschlagventil 12 in Sperrrichtung angeströmt wird, sperrt dieses, so dass das Hydrauliköl nur durch das vorgespannte Rückschlagventil 11 strömen kann, sofern sein Druck höher ist also die Kraft der Vorspannfeder. Dadurch entsteht der bedeutsame Effekt, dass der Hydromotor 1 hydraulisch vorgespannt ist, was zur Folge hat, dass der ungleichmäßige Anlauf mit kleiner Drehzahl auf sehr einfache Weise stark verbessert wird. Der Ungleichförmigkeitsgrad δ der Drehbewegung wird verbessert.
Eine Lösung mit einer solchen zusätzlichen Ventilbaugruppe 10 ist herstellungsmäßig aufwendig und teuer und benötigt Platz. Der Erfindung liegt aber insbesondere auch noch die Aufgabe zugrunde, eine solche Lösung hinsichtlich Funktionalität zu verbessern.
In der Fig. 3 ist eine Ansicht eines Steuerschiebers 20 innerhalb eines Ventilkörpers 21 gezeigt, die dem Steuerventil 3 zugehörig sind. In einer Längsbohrung 22 des Ventilkörpers 21 ist der Steuerschieber 20 axial verschiebbar, was mit einem Doppelpfeil angedeutet ist. Die axiale Verschiebbarkeit wird dabei, wie bei solchen proportional arbeitenden Steuerventilen üblich, mittels mindestens eines Antriebs bewirkt, wobei elektrische, hydraulische oder pneumatische Antriebe Verwendungen finden. Da es im vorliegenden Fall auf Zahl und Bauart des Antriebs für den Steuerschieber 20 nicht ankommt, wurde ein solcher Antrieb in der Figur nicht dargestellt.
Wie bei solchen Steuerventilen üblich, sind Querbohrungen im Ventilkörper 21 vorhanden, die bis an die Längsbohrung 22 heranführen. In der Fig. 3 sind fünf derartige Querbohrungen gezeigt, nämlich von rechts her gesehen eine Tankanschlussbohrung T, eine erste Arbeitsanschlussbohrung A, eine Pumpenanschlussbohrung P, eine zweite Arbeitsanschlussbohrung B und eine weitere Tankanschlussbohrung T. Aus konstruktiven Gründen sind zwei Tankanschlussbohrungen T gezeigt, die in der Regel innerhalb des Ventilkörpers 21 zusammengeführt sind. Hintergrund ist, dass jede der Arbeitsanschlussbohrungen A, B betrieblich wechselweise mit der Tankanschlussbohrung T bzw. mit der Pumpenanschlussbohrung P verbindbar sein muss, um den "Heben"- und "Senken"-Betrieb zu ermöglichen.
Der Steuerschieber 20 weist, um die verschiedenen Verbindungen zwischen den Anschlussbohrungen T, B, P, A und T herstellen zu können, profilierte Ringnuten auf. Von links her gesehen sind dies eine B-Tank-Nut 23, eine B-Steuernut 24, eine Pumpennut 25, eine A-Steuernut 26 und eine A-Tank-Nut 27. Das Prinzip ist den meisten Wegeventilen gemeinsam.
Die relative Lage des Steuerschiebers 20 in der Längsbohrung 22 ist bei der Darstellung in der Fig. 3 so, dass die Pumpenanschlussbohrung P abgeschlossen ist, dass also keine Verbindung zu einer der benachbarten Arbeitsanschlussbohrungen A, B besteht. Daraus folgt, dass der Hydromotor 1 still steht, weil ihm kein Hydrauliköl zugeführt wird. Gezeigt ist also die Null- bzw. Neutralstellung.
Erfindungsgemäß weist nun aber das hier gezeigte Steuerventil 3 für einen Hydromotor 1 (Fig. 1) eine zusätzliche schmale Hilfssteuernut 28 auf, die zwischen der B-Tank-Nut 23 und der B-Steuernut 24 angeordnet ist. Am Grund dieser Hilfssteuernut 28 beginnt eine erste Querbohrung 29, die in eine Längsbohrung 30 mündet, deren anderes Ende mit einer zweiten Querbohrung 31 in Verbindung steht. Diese zweite Querbohrung 31 stellt eine Verbindung zur B-Tank-Nut 23 und damit zur Tankanschlussbohrung T her. Bedeutendstes Merkmal der Erfindung ist nun, dass in dieser Längsbohrung 30 ein vorgespanntes Rückschlagventil 32 mit einer Vorspannfeder 33 angeordnet ist, und zwar so, dass es durch einen höheren Druck von der Arbeitsanschlussbohrung B her zu öffnen ist. Die Wirkungsweise wird später genauer beschrieben werden.
Vorteilhaft ist die Steuerkante zur Steuerung des Volumenstroms zwischen der Arbeitsanschlussbohrung B und der zweiten Tankanschlussbohrung T besonders ausgestaltet. Beidseits der Hilfssteuernut 28 weist der Steuerschieber 20 kurze zylindrische Abschnitte auf, nämlich rechts davon einen Dichtzylinder 35 und links davon einen Vorspannzylinder 36. Nach links schließen sich zwei kegelstumpfförmige Abschnitte an, nämlich ein erster Steuerkegelabschnitt 37 mit einer schwächeren Flächenneigung und dann daran ein zweiter Steuerkegelabschnitt 38 mit einer stärkeren Flächenneigung.
In den Fig. 4 bis 7 ist jeweils ein identischer Ausschnitt aus dem Steuerventil 3 gezeigt, der in der Fig. 3 mit einem gepunkteten Kreis dargestellt ist. Dabei geht es darum zu zeigen, wie mit den erfindungsgemäßen und den vorteilhaften Mitteln die Aufgabe der Erfindung gelöst wird.
In der Fig. 4 ist gezeigt, dass eine der Arbeitsanschlussbohrung B zugeordnete Steuerkante 40 im Bereich des Dichtzylinders 35 liegt. Somit besteht zwischen der Arbeitsanschlussbohrung B und der weiter links gelegenen Tankanschlussbohrung T (Fig. 3) keine Verbindung. Weil somit auch die Hilfssteuernut 28 mit der darin beginnenden Querbohrung 29 von der Steuerkante 40 abgedeckt ist, wirkt in die Querbohrung 29 hinein der in der Arbeitsanschlussbohrung B herrschende Druck nicht. Dieser Zustand ist gegeben, wenn, wie in Fig. 3 gezeigt, die Verbindung von der Pumpenanschlussbohrung P sowohl zur Arbeitsanschlussbohrung A als auch nur Arbeitsanschlussbohrung B abgesperrt ist, so dass der Hydromotor 1 (Fig. 1) still steht. Auch hier ist also die Null- bzw. Neutralstellung gezeigt.
In der Fig. 5 ist jener Zustand gezeigt, bei dem der Steuerschieber 20 gegenüber der Steuerkante 40 so weit nach rechts verschoben ist, dass nun der in der Arbeitsanschlussbohrung B herrschende Druck wegen der frei liegenden Hilfssteuernut 28 in die Querbohrung 29 wirken kann. In diesem Zustand ist nun der Hydromotor 1 (Fig. 1) in Funktion, weil gleichzeitig, was aus der Fig. 3 ableitbar ist, wegen der Rechtsverschiebung des Steuerschiebers 20 Hydrauliköl von der Pumpenanschlussbohrung P zur ersten Arbeitsanschlussbohrung A und von dort zum Hydromotor 1 strömt. Das gleichzeitig vom Hydromotor 1 zum Tank zurückströmende Hydrauliköl kann nun aber nicht den direkten Weg von der Arbeitsanschlussbohrung B zur weiter links gelegenen Tankanschlussbohrung T nehmen, weil dieser Weg durch die Dichtwirkung des Vorspannzylinders 36 versperrt ist. Das zurückfließende Hydrauliköl drückt folglich das in der Längsbohrung 30 liegende vorgespannte Rückschlagventil 32 auf. Dadurch steigt entsprechend der Druck in der Arbeitsanschlussbohrung B auf einen Wert, der durch die Kraft der Vorspannfeder 33 des Rückschlagventils 32 (Fig. 3) bestimmt ist.
Durch diese Druckerhöhung in der Arbeitsanschlussbohrung B wird der Hydromotor 1 hydraulisch vorgespannt ist, was zur Folge hat, dass der ungleichmäßige Anlauf mit kleiner Drehzahl auf sehr einfache Weise stark verbessert wird. Der Ungleichförmigkeitsgrad δ kann sich entsprechend praktisch nicht als ungleichförmige Drehbewegung beim langsamen Anfahren auswirken. Das gilt im übrigen auch für den Langsamlauf nach einer Verzögerung aus schnellerem Lauf.
In der Fig. 6 ist der Zustand bei noch weiterer Aufsteuerung des Steuerventils 3 in die "Heben"-Betriebsart gezeigt. Hier liegt nun die Steuerkante 40 durch die gegenüber Fig. 5 weitere Bewegung des Steuerschiebers 20 nach rechts so, dass der erste Steuerkegelabschnitt 37 mit der schwächeren Flächenneigung rechts von der Steuerkante 40 liegt. Damit kann nun Hydrauliköl zwischen der Steuerkante 40 und dem ersten Steuerkegelabschnitt 37 hindurchströmen. In diesem Zustand fließt das vom Hydromotor 1 (Fig. 1) zum Tank zurückfließende Hydrauliköl sowohl durch das Rückschlagventil 32 (Fig. 3) als auch über den Ringquerschnitt zwischen Steuerkante 40 und Steuerkegelabschnitt 37 hindurch. Je weiter der Steuerkolben 20 nach rechts bewegt wird, desto größer wird der Strom des Hydrauliköls auch zwischen Steuerkante 40 und Steuerkegelabschnitt 37. Dass das Rückschlagventil 32 nicht sofort dann schließt, wenn die Steuerkante 40 in den Bereich des ersten Steuerkegelabschnitts 37 kommt, liegt daran, dass durch die Strömung zwischen der Steuerkante 40 und dem Steuerkegelabschnitt 37 ein gleich hoher Staudruck wie über dem vorgespannten Rückschlagventil 32 entsteht.
Wird der Steuerschieber 20 gegenüber der Fig. 6 noch weiter nach rechts bewegt, nämlich in eine in der Fig. 7 gezeigte Stellung, bei der die Steuerkante 40 nun im Bereich des zweiten Steuerkegelabschnitts 38 mit der stärkeren Flächenneigung liegt, so ist der aus der Strömung resultierende Staudruck wegen des nun größeren freien Durchtrittsquerschnitts für das Hydrauliköl kleiner, was dazu führt, dass nun das Rückschlagventil 32 (Fig. 3) schließt. Hydrauliköl fließt dann also nur noch durch den freien Raum zwischen Steuerkante 40 und den beiden Steuerkegelabschnitten 37, 38. Der Hydraulikölstrom und damit die Drehzahl des Hydromotors 1 sind nun aber so groß, dass der eingangs erwähnte Effekt des großen Ungleichförznigkeitsgrades δ nicht mehr auftritt. Bei diesem nun größeren freien Durchtrittsquerschnitt ist nun auch der Durchflusswiderstand Δp reduziert. Dies führt zu weniger Erwärmung des Hydrauliköls, was einen besonderen Vorteil darstellt.
Vorteilhaft wird die Vorspannfeder 33 so bemessen, dass die entstehende Rücklaufvorspannung etwa 25 bar beträgt.
Vorteilhaft wird die Flächenneigung des ersten Steuerkegelabschnitts 37 etwa so bemessen, dass der Winkel zur gedachten Zylinderfläche des Steuerschiebers 20 etwa 16° beträgt. Die Flächenneigung des zweiten Steuerkegelabschnitts 38 beträgt vorteilhaft etwa 26°. Die Maße hängen ansonsten von der Größe des Steuerventils 3 ab, also von dessen maximaler Durchströmung. Es bedarf dann aber keiner erfinderischen Tätigkeit, diese Maß zu optimieren.
Die Erfindung ist immer dann anwendbar, wenn bei Vorrichtungen mit einem Hydromotor Lasten gehoben werden sollen.

Claims

Steuerventil (3) für einen Hydromotor (1), mit dem in einer Vorrichtung Lasten (2) zu heben sind, wobei das Steuerventil (3) als Wegeventil gestaltet ist, bei dem ein Steuerschieber (20) in einer Längsbohrung (22) eines Ventilkörpers (21) verschiebbar angeordnet ist, um den Fluss von Hydrauliköl zwischen zwei Arbeitsanschlussbohrungen (A, B), einer Pumpenanschlussbohrung (P) und einer Tankanschlussbohrung (T) zu steuern, wobei der Steuerschieber (20) eine B-Tank-Nut (23), eine B-Steuernut (24), eine Pumpennut (25), eine A-Steuernut (26) und gegebenenfalls eine A-Tank-Nut (27) aufweist, wobei innerhalb des Steuerschiebers (20) ein mittels einer Vorspannfeder (33) vorgespanntes Rückschlagventil (32) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (32) einerseits über eine erste Querbohrung (29) mit einer Hilfssteuernut (28) verbunden ist und andererseits über eine zweite Querbohrung (31) mit der B-Tank-Nut (23) verbunden ist,
dass das Rückschlagventil (32) von der Arbeitsanschlussbohrung B her zu öffnen ist und dass die Hilfssteuernut (28) zwischen der B-Steuernut (24) und der B-Tank-Nut (23) angeordnet und beidseits durch dichtende zylindrische Flächen (35, 36) begrenzt ist.
Steuerventil (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannfeder (33) so bemessen ist, dass sie eine Rücklaufvorspannung von etwa 25 bar erzeugt.
Steuerventil (3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den die eine zylindrische Fläche bildenden Vorspannzylinder (36) in Richtung B-Tank-Nut (23) ein erster kegelstumpfförmiger Steuerkegelabschnitt (37) anschließt.
Steuerventil (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenneigung des ersten Steuerkegelabschnitts (37) etwa so bemessen, dass der Winkel zur gedachten Zylinderfläche des Steuerschiebers (20) etwa 16° beträgt.
Steuerventil (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den ersten kegelstumpfförmigen Steuerkegelabschnitt (37) ein zweiter kegelstumpfförmiger Steuerkegelabschnitts (38) anschließt.
Steuerventil (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenneigung des zweiten Steuerkegelabschnitts (38) etwa so bemessen, dass der Winkel zur gedachten Zylinderfläche des Steuerschiebers (20) etwa 26° beträgt.